Бесконтактные оптические методы возбуждения и регистрации ультразвуковых рэлеевских волн

• Автор: Базылев, Петр Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Хабаровск
• Количество страниц: 144 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ .
1.1. Контактные методы и средства возбуждения и регистрации ПАВ .
1.2. Бесконтактные методы и средства возбуждения и регистрации ПАВ .
1.3. Сравнительный анализ методов возбуждения и регистрации ПАВ в
твердых средах
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА РЕГИСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН . . .
2.1. Интерферометрический прием акустических сигналов
2.2. Технические характеристики двухлучевого лазерного интерферометра при регистрации ультразвуковых колебаний
2.3. Теоретическая оценка полосы воспроизведения частот оптического приемника при регистрации ПАВ
2.4. Оптический интерференционный приемник ПАВ
2.5. Двухканальные интерференционные приемники ПАВ
ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЭЛЕЕВСКИХ ВОЛН
3.1. Анализ механизмов возбуждения рэлеевских волн лазерным излучением
3.2. Оптические генераторы широкополосных рэлеевских волн .
3.3. Оптический генератор узкополосных рэлеевских волн
3.4. Оптические квантовые генераторы для возбуждения ПАВ ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПАВ РЭЛЕЯ
4.1. Экспериментальная установка для исследования оптического возбуждения и регистрации рэлеевских волн
4.2. Исследование интерферометрического метода регистрации рэлеевских волн

4.3. Исследование лазерной генерации широкополосных ПАВ Рэлея . .
4.3.1. Исследование механизмов возбуждения рэлеевских волн
4.3.2. Спектрально-временные характеристики рэлеевских волн
4.4. Исследование лазерного возбуждения узкополосных ПАВ Рэлея . .
4.5. Выбор оптимальных режимов лазерной генерации рэлеевских волн
для решения метрологических задач
ГЛАВА 5. УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
РЭЛЕЕВСКИХ ВОЛН
ф 5.1. Назначение и основные метрологические характеристики установки
высшей точности УВТ 79-А-
5.2. Принцип действия, структурная и оптическая схема установки . .
5.3. Методика измерения скорости распространения рэлеевских волн .
5.4. Анализ погрешности измерения скорости распространения рэлеевских волн
5.5. Результаты измерений
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
* Приложение 1. Акт внедрения установки высшей точности УВТ 79-А-92
Приложение 2. Рекомендация по метрологии МИ
Приложение 3. Твердотельный оптический квантовый генератор сверхкоротких световых импульсов с активной синхронизацией мод . .
Приложение 4. Методика расчета частотного спектра ультразвуковых рэлеевских импульсов
Приложение 5. Список основных публикаций автора

ВВЕДЕНИЕ
Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят самое широкое применение в различных областях науки и техники: в ультразвуковом (УЗ) неразрушающем контроле качества материалов и изделий, что позволило обеспечить его универсальность и доминирующее место среди других методов неразрушающего контроля; в акустоэлектронике при создании различных твердотельных устройств для обработки информации; в экспериментальной акустике и физике твердого тела в качестве “инструмента” для исследования свойств поверхности и поверхностных слоев. Диапазон частот используемых поверхностных волн и выбор их типа зависит от решаемой задачи. Так, в УЗ неразрушающем контроле применяются, главным образом, частоты в диапазоне (1ч-25) МГц. Основу акустоэлектроники составляют поверхностные волны в кристаллах с частотами (106-И010) Гц[1].
Основным и наиболее часто используемым на практике типом ПАВ являются волны Рэлея [1], распространяющиеся вдоль поверхности упругого изотропного полупространства. Это обусловлено прежде всего тем, что такие информативные параметры, как скорость, затухание, дисперсия скорости и затухания, структура рэлеевской волны неразрывно связаны с физикомеханическими характеристиками поверхностного слоя материала, в котором она распространяется. Привлекают внимание также такие свойства ПАВ Рэлея, как поверхностная локализация волны в слое толщиной (1-2) Лк, где Лк - длина рэлеевской волны, доступность сигнала для контроля в любой точке поверхности, более медленное, чем в случае объемных волн, затухание с расстоянием амплитуды волны (пропорционально в результате чего рэле-
евские волны могут распространяться на значительные расстояния [1].
Для возбуждения и регистрации поверхностных волн наибольшее распространение получили контактные методы с применением в качестве излучателей и приемников УЗ колебаний пьезоэлектрических преобразователей [1-4]. Однако пьезоэлектрические методы имеют ряд недостатков, ограничи-
Таким образом, для обеспечения максимальной широкополосности оптического приемника на основе лазерного интерферометра при регистрации поверхностных акустических волн необходима минимизация размеров его зоны приема, а диапазон воспроизведения частот интерферометра при этом может определяться с учетом полученных результатов.
2.4. Оптический интерференционный приемник ПАВ
В данном разделе описан оптический приемник ПАВ, созданный на основе схемы двухлучевого лазерного интерферометра, применяемого для регистрации УЗ колебаний [43], с учетом требований, рассмотренных в разделах 2.1-2.3. Данный интерферометр имеет один приемный канал - измерительное (рабочее) плечо. Второе плечо (опорное) используется для настройки и стабилизации рабочей точки интерферометра^'О*
2.4.1. Оптическая схема и конструкция интерферометра
Необходимым условием, определяющим реальную полосу воспроизведения частот интерферометра и, следовательно, достоверность воспроизведения амплитудно-временных характеристик регистрируемых ПАВ, как было показано выше, является минимизация размеров его зоны приема с/. Это достигается фокусировкой лазерного луча в измерительном плече интерферометра. Для обеспечения минимально возможной величины фокального пятна при заданном фокусном расстоянии следует использовать линзы, имеющие минимальную сферическую аберрацию. Проведенный анализ показал, что оптимальным вариантом является применение плоско-выпуклых линз, обращенных сферической поверхностью в сторону источника лазерного излучения.
При создании оптического приемника ПАВ были исследованы две оптические схемы интерферометра, приведенные на рис. 2.3. В первой схеме положительная линза с фокусным расстоянием /*^=+30 см, фокус которой находился на поверхности образца и опорного зеркала (длина плеч равна), по-